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1、土力学土力学- -第三章土的渗透性第三章土的渗透性及渗流及渗流天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学第第3章土的渗透性及渗流章土的渗透性及渗流3.1 概述概述3.2 土的渗透性土的渗透性3.3 土中二维渗流及流网（了解）土中二维渗流及流网（了解）3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学kA
2、iq kiAqv或或3.2.2土的层流渗透定律土的层流渗透定律层流：层流：即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。即相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混流。达西定律：达西定律：在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间的关系在层流条件下，土中水渗流速度与能量（水头）损失之间的关系的渗流规律的渗流规律h1 h2 LhAq达西根据实验发现，达西根据实验发现，单位时间内的渗单位时间内的渗出水量出水量q q与圆筒断面积与圆筒断面积A A和水力梯度和水力梯度i i成正成正比比，且与土的透水性质有关，且与土的透水性质有关写成等式（写成等式（达西定律表达式达西定律表达式）天津城市建设学院土木系
3、岩土教研室土力学土力学kiv 达西定律达西定律砂土砂土的渗透速度与水的渗透速度与水力梯度呈线性关系力梯度呈线性关系 密实的粘土密实的粘土，需要克，需要克服结合水的粘滞阻力服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透后才能发生渗透; ;同同时渗透系数与水力坡时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系定律而呈非线性关系 ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层达西定律适用于层流，不适用于紊流流，不适用于紊流v=kiivO O砂土砂土)(biikv0iv密实粘土密实粘土3.2.2土的层流渗透定律土的层流渗透定律天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.
4、2.2土的层流渗透定律土的层流渗透定律公式中用的是土样的整个断面积，其中包括了公式中用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所土粒骨架所占的部分面积在内占的部分面积在内，而土粒本身是不透水的，因此，而土粒本身是不透水的，因此过水断面积过水断面积A Ar r是小于整个断面积是小于整个断面积A A，实际平均流速实际平均流速v vr r应大于应大于v v，一般，一般v v称为假称为假想平均流速想平均流速。 以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速以后提到的渗流速度均指这种假想平均流速天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数渗透系数渗透系数k k既是反
5、映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算既是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。时必须用到的一个基本参数。测定方法测定方法有：有：室内和现场室内和现场1.1.室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数AtLhkkiAtqtQ时间时间t内流出的水量内流出的水量hAtQLk（1）常水头试验常水头试验整个试整个试验过程中水头保持不变验过程中水头保持不变 适用于透水性大（适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。的土，例如砂土。 截面积截面积为为A A天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学（2）变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化整个试验过程
6、水头随时间变化 截面面积截面面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经经时段时段dt后，细玻璃管中水位后，细玻璃管中水位降落降落dh，在时段在时段dt内流经试内流经试样的水量样的水量 dQ=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk适用于透水性差，渗透系数适用于透水性差，渗透系数小的粘性土小的粘性土 分离变量分离变量 积分积分 3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数截面积为截面积为A A天津城
7、市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学（地下水位地下水位测压管水面测压管水面）3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数2.2.现场测定渗透系数现场测定渗透系数常用的有现场常用的有现场井孔抽水试验井孔抽水试验或或井孔注水试验井孔注水试验。对于均质粗粒土层，现场测出的对于均质粗粒土层，现场测出的k k值比室内试验得出的值要准确值比室内试验得出的值要准确观测孔观测孔r r2 2r rr r1 1drdrdhdhh h1 1h hh h2 2Q Qr r处过水断面积为处过水断面积为A=2A=2rh,rh,假设该处假设该处水力梯度水力梯度i i为常数，且等于地下水位为常数，且等于地下水位在该处的坡
8、度时，在该处的坡度时， 则则i=dh/dr q=kAi=2rhkdh/dr qdr/r=2khdh分离变量积分分离变量积分 212212)/ln(hhrrqk212212)/lg(3.2hhrrqk现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等现场测试方法还有：孔压静力触探、地球物理勘探等天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数3.3.影响渗透系数的主要因素影响渗透系数的主要因素（1）土的粒度成分土的粒度成分 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗
9、透系数就会大大减小。的渗透系数就会大大减小。 （2）土的密实度土的密实度 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。降低，土的渗透性也减小。（3）土的饱和度土的饱和度 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。的渗透性愈小。（5）水的温度水的温度 （4）土的结构土的结构 细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，原有的过水通道的形态、细粒土在天然状态下具有复杂的结构，一旦扰动，
10、原有的过水通道的形态、大小及其分布都改变，大小及其分布都改变，k k值就不同。扰动与击实土样的值就不同。扰动与击实土样的k k值比原始的要小值比原始的要小 粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗透粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。系数则愈大。天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数4.4.渗透系数渗透系数k k的经验确定方法（自己看书）的经验确定方法（自己看书）5.5.成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数（1）水平渗透系数水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2
11、xq3xqx通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和应为各土层渗流量之总和 niixnxxxxqqqqq121iHkqxx达西定律达西定律nnxiHkiHkiHkq2211整个土层与层面平整个土层与层面平行的等效渗透系数行的等效渗透系数 平均渗透系数平均渗透系数niiixHkHk11平均水力梯度平均水力梯度天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数5.5.成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数2.垂直渗透系数垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过根据水流连续定理，通过整个土层整个土层的渗流量
12、等于通过的渗流量等于通过各土层各土层的渗流量的渗流量 nyyyyqqqq21垂直渗垂直渗透系数透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力梯度为各土层的相应的水力梯度为i1、i2、in，总的水力梯度为总的水力梯度为i AikAikAikiAknny2211总水头损失等于各层水头损失之和总水头损失等于各层水头损失之和 nniHiHiHHi2211代入代入nnnnyikikikHiHiHiHk22112211)(1整个土层与层面垂整个土层与层面垂直的平均渗透系数直的平均渗透系数 niiyinnykHHkHkHkHHk12211)(天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学第第3章土的渗透性及渗
13、流章土的渗透性及渗流3.1 概述概述3.2 土的渗透性土的渗透性3.3 土中二维渗流及流网（了解）土中二维渗流及流网（了解）3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳，主要表现为流砂产生移动，导致土体变形甚至失稳，主要表现为流砂和管涌；和管涌；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导
14、致土体或结构物失稳，表现为岸坡滑动或挡土墙等构造土体或结构物失稳，表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。物整体失稳。天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.4.1渗流力渗流力渗流力（动水力）：渗流力（动水力）：单位体积土颗粒受到的渗流作用力单位体积土颗粒受到的渗流作用力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差管，测压管水面高差h土粒对水流土粒对水流的阻力应为的阻力应为 hAFw土样土样面积面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流根据牛顿第三定律，试样的总渗流力力J和土粒对水流的阻力和土粒对水流的阻力F大小相等，大小相等，方向相反方向相反 hAFJw渗流
15、作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj说明：说明：渗透力渗透力j是渗流对是渗流对单位土体单位土体的作用力，是一种体积力，其大的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响土体稳定性有显著的影响渗透力方向与渗透力方向与重力一致，促重力一致，促使土体压密、使土体压密、强度提高，有强度提高，有利于土体稳定利于土体稳定渗流
16、方向近乎水平，使渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒体的有效重度，土粒将被水流冲出将被水流冲出abc3.4.2流砂或流土现象流砂或流土现象天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.4.2流砂或流土现象流砂或流土现象使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度临界水力梯度i icrcr则，渗流力则，渗流力 w wi i等于土的浮重度等于土的浮重度w w临界水力梯度：临界水力梯度：)1)(1(ndiswcr研
17、究表明：研究表明：土的不均匀系数越大，土的不均匀系数越大，i icrcr值越小；土中细颗粒含量值越小；土中细颗粒含量高，高，i icrcr增大；土的渗透系数愈大，临界水力坡度愈低。增大；土的渗透系数愈大，临界水力坡度愈低。在向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群在向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象流砂现象或流土现象。说明说明：流砂现象的产生不仅取决于：流砂现象的产生不仅取决于渗流力的大小渗流力的大小，同时与，同时与土的土的颗粒级配颗粒级配、密度密度及及透水性透水性等条件有关等条件有关天津城市建设学院土
18、木系岩土教研室土力学土力学3.4.2流砂或流土现象流砂或流土现象流砂现象的防治原则流砂现象的防治原则（）（）减小或消除水头差减小或消除水头差 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水要求地下水位降得较深，要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周采用井点降水。在基坑周围布置
19、一排至几排井点，围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位从井中抽水降低水位 天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.4.2流砂或流土现象流砂或流土现象流砂现象的防治原则流砂现象的防治原则（）（）增长渗流路径增长渗流路径 沿坑壁打入板桩，它一方面可沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降的渗流路径，减小水力坡降钢板桩钢板桩（）（）平衡渗流力平衡渗流力 在向上渗流出口处地表用在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗透水材料覆盖压重以平衡渗流力流力透水材料透水材料（）（）土层回固处理。土层回固处理。如冻结如冻结法、注浆法
20、等。法、注浆法等。 天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.4.3管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌管涌。在自然界中这种现象叫。在自然界中这种现象叫潜蚀（分为机械潜蚀和化学潜蚀）潜蚀（分为机械潜蚀和
21、化学潜蚀）。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学管涌现象的防治管涌现象的防治（）（）改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。（同流土）（同流土） 3.4.3管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象（）（）改变几何条件，在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌改变几何条件，在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。破坏的有效措施。 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回
22、填中粗砂抛石棱体抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 天津城市建设学院土木系岩土教研室土力学土力学3.4.3管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象流土与管涌的判别流土与管涌的判别粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数发
23、生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一定的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情况: :1.当孔隙中细粒含量较少（小于当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象土现象28 结束语结束语